基于MATLAB的风力发电机组控制算法的研究-第3页-北极星风力发电网

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根据风速的大小，大型变速变桨距风力发电机组的运行范围可分为额定风速以下和额定风速以上两个部分。具体的运行区域[9]划分如下图所示。

图4 变速变桨距风力发电机组运行区域

由图4可知，在额定风速以下，风机的控制过程又可分为三个不同的阶段：第一阶段是启动阶段(区域1)，机组在风力作用下作机械转动，发电机转速在逐渐增加，可以一直提升到切入转速;第二阶段是变速阶段(区域2)，机组开始获得能量并转换成电能，根据风速的变化调节发电机转速，保持最佳叶尖速比以获得最大风能;第三阶段是恒转速阶段(区域3)，机组通过调节变速电机的转矩从而控制风轮转速保持不变。在额定风速以上，机组进入变桨距控制(区域4)，通过驱动叶片和轮毅之间的齿轮传动机构(即变桨执行机构)来使叶片的攻角随着风速的改变而改变，确保叶片在不同风况下都处于最佳攻角，使得输出功率在额定功率附近保持微小变动。

3 风力发电机组控制算法

风力发电机组控制系统的基本目标主要有三个层次：保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电能质量。控制算法的设计也是以这三个目标位准则。

3.1 风力发电机组基本控制策略

风电机组变速运行，是通过控制发电机输出转矩来实现的。转矩控制器在发电机气隙中产生一个期望

输出的转矩，引导风机加速或减速，从而使风轮运行在设定的转速附近。为了使气隙中的给定转矩能在很短的时间内达到，控制器的设计需要有较高的带宽。图5所示为转矩控制器所采用的转速-转矩运行曲线。

图5 变速变桨距风力发电机组转速-转矩运行曲线

从图5中可看出，在较低风速时(图中BC段)，通过控制发电机的输出转矩来控制风轮转速，以使风电机组实现最大能量捕获;为了降低噪声污染，风机在额定风速到达以前就已经提升到额定转速(C点)，这时通过动态地调整给定转矩，以保持风轮转速稳定在额定值;在风速很低的时候(图中AB段)，也是改变发电机转矩输出值，控制风轮转速保持在最低运行转速;在高风速时，发电机给定转矩达到额定值(D点)，这时需要对桨距角进行控制，通过改变叶片攻角来调整能量的吸收，从而控制风轮转速。在额定点附近，转矩给定值会根据转速的变化作小幅调整，与转速变化成反比，以保持输出功率恒定在额定值。

当风机达到额定转速后，转矩PI控制器根据发电机转速设定值与实际反馈值的偏差改变给定转矩，使转速不再增加。风轮转速在额定点附近可以有一定的波动，其目的是为了增加传动系统的柔性，使得转矩和功率在额定点附近变化相对平稳。转矩PI控制器的拉普拉斯形式如下：

式中， Kq是比例常数，是积分时间常数，积分增益是 Kq/Tq 。

当发电机转矩达到额定值，变桨距控制器就要开始工作。变桨距PI控制器根据发电机的转速反馈，确定桨距角的给定值，以维持转速在设定点。其拉普拉斯形式如下：

式中， K是比例增益， Ti是积分时间常数， G(β)是增益系数。变桨距PI控制器的增益要根据工作点的变化而变化，因为气动力矩对桨距角变化的灵敏度不是线性的，在高风速时要远远高于额定风速时的灵敏度[10]。因此，需要设置桨距角的增益表来实现PI控制器增益跟随工作点变化。通过对增益的调整可以保证变桨距控制器在额定风速到切出风速范围内都具有良好的动态响应和稳定裕度。

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